ペーパークロマトグラフィーを使った光合成色素の分離実験について、「実験準備」「方法」「結果と考察」を写真付きでまとめた記事です。

今回、ツツジの葉の色素抽出液から個々の色素を分離した結果、クロロフィルa、クロロフィルb、キサントフィル、カロテンが検出されました。

クロマトグラフィーのスポットの位置（＝Rf値）は、展開液である有機溶媒への各色素の溶けやすさで決まるため、クロロフィルに比べてカロテノイドの方が相対的に有機溶媒に溶けやすいことが、今回の実験で確かめられました。

実験準備

  • ツツジの葉の色素抽出液（シリカゲルと一緒にすりつぶしてジエチルエーテルを加えたもの）
  • ペーパークロマトグラフィー用のろ紙（幅1.5cm、長さ12cm程度に切ったもの）
  • 試験管（展開管として用いる）
  • 試験管のゴム栓
  • 極細のパスツールピペット（つまようじでも代用可）
  • 展開液（石油エーテル：アセトン＝10：1）※ポリビンに入れておき、使用直前にポリビンのふたをノズル付きのものに替えて使う。

実験方法

手順1

展開管の底から約1cmの深さまで展開液を入れます。ゴム栓をしてしばらく放置し、展開の開始までに、試験管内が展開液の蒸気で飽和された状態にします。

手順2

ろ紙の下端から2cmのところに鉛筆で線を引き、その中央に×印を付けます。そして×印の中心に、パスツールピペット（またはつまようじの頭の方）で色素抽出液をつけ、原点とします。この時、乾燥させながら繰り返しつけて、原点の色素を濃くするのがコツです。

原点に色素抽出液をつけたところ
図1．原点に色素抽出液をつけたところ．
手順3

細長く切ったろ紙を展開管に入れ、ゴム栓をして、色素がスポットに分かれていく様子を観察します。色素は退色しやすいので、観察は弱光下で行います。

展開管の中で色素がスポットに分かれていく様子
図2．展開管の中で色素がスポットに分かれていく様子．
手順4

展開液がろ紙の上端近くまで上がってきたら、ピンセットでろ紙を取り出します。取り出したら、展開液が上がってきた先端に薄く線を引きます（これを「溶媒前線」と言います）。

実験結果と考察

ツツジの葉の色素抽出液をペーパークロマトグラフィーで分離した結果、下の図3のように4つのスポットに分かれました。

ツツジの葉の色素抽出液に含まれていた4種類の光合成色素
図3．ツツジの葉の色素抽出液に含まれていた4種類の光合成色素．

 

各スポットの位置は、Rf値という数値で表されます。

Rf値 ＝ 原点から各スポットの中心までの距離 ÷ 原点から溶媒前線までの距離

色素ごとにおおよそのRf値が決まっているので、Rf値を求めることで色素の種類を同定することができるというわけです。

これがペーパークロマトグラフィーの仕組みですね。

 

しかしながら、Rf値は完全に色素固有のものではなく、展開に使う有機溶媒や実験条件によって変化します。

従って、Rf値だけでは色素の種類を決めることは難しく、色や位置関係なども考慮して総合的に同定します。

その結果、今回の実験では、上から順にカロテン、キサントフィル、クロロフィルa、クロロフィルb、の4つの色素が同定されました（図3）。

 

なお、これらの色素のRf値の範囲は、おおよそ以下の通りです。

  • カロテン（β-カロテン）：0.9-1.0
  • キサントフィル：0.6-0.9
  • クロロフィルa：0.4-0.6
  • クロロフィルb：0.2-0.5

緑色を吸収する光合成色素は相対的に少ない

ところで、これら4つの色素のうちキサントフィルとカロテンはカロテノイドと呼ばれ、緑色の光も吸収する光合成色素です。

一方、クロロフィルaとクロロフィルbは緑色の光を吸収しない色素。

大まかに言うと、性質の異なる2タイプが混在しているわけですね。

 

さて、「緑色を吸収する」ということは、「緑色以外の色に見える」ということを意味しますが、実際には実験に使ったツツジの葉っぱは緑色に見えています。

さらに、今回は取り上げていませんが、この色素抽出液に太陽光を通してスペクトルを観察しても、緑色の吸収は見られません。

これらのことから何が言えるかというと、ツツジの葉には4つの光合成色素が含まれていますが、4つの色素を比較すると、カロテノイド（キサントフィル＋カロテン）よりもクロロフィル（クロロフィルa＋クロロフィルb）の方が優勢であるということです。

緑色に見える色素が優勢、ということですね。

カロテノイドはクロロフィルに比べて有機溶媒に溶けやすい

またもう一つ、Rf値についても考察してみましょう。

Rf値はスポットの位置を表す数値ですが、実は展開液である有機溶媒への、各色素の溶けやすさを表しています。

つまりこういうことです。

  • Rf値が高い（原点から遠い）→ 有機溶媒に溶けやすい
  • Rf値が低い（原点に近い）→ 有機溶媒に溶けにくい

 

このことから、今回抽出した4つの色素の「有機溶媒への溶けやすさ」を以下のように整理することができます。

有機溶媒への溶けやすさ：カロテン ＞ キサントフィル ＞ クロロフィルa ＞ クロロフィルb

あるいは、

有機溶媒への溶けやすさ：カロテノイド ＞ クロロフィル

つまり、4つの中ではカロテンが最も有機溶媒に溶けやすく、カロテノイドとクロロフィルを比較すると、カロテノイドの方が有機溶媒に溶けやすいということです。

まとめ

今回の実験から以下のことを確認することができました。

  1. ツツジの葉の色素抽出液にはカロテン、キサントフィル、クロロフィルa、クロロフィルbの4つの光合成色素が含まれていた。
  2. ツツジの葉やその色素抽出液が緑色であるにも関わらず、緑色の光を吸収する光合成色素（カロテン＋キサントフィル）が含まれていた。
  3. 有機溶媒への溶けやすさは、「カロテン ＞ キサントフィル ＞ クロロフィルa ＞ クロロフィルb」の順であった。

参考文献

  • 東京書籍『改訂　科学と人間生活』（東書　科人 306）19ページ「実験B 光合成色素の分離の実験」